《细胞生物学》教案-细胞5章真核细胞内膜系统9

《细胞生物学》教案

(第9次课2学时)

第五章真核细胞内膜系统

(Endomembranesystem,ProteinSortingandMembranetrafficking)

［教学要求］、〜

2.1知识目标

1.熟练掌握核糖体与蛋白质合成,信号假说,，内质网的功能，高尔基复合体的形态结构与功能，

溶酶体的功能：

2.掌握内质网,溶两体的形态结构与类型；

3.了解过氧化物酶体的形态结构与功能；

4.了解细胞结构体系装配的方式及其生物学意义。

2.2能力目标

1.讲解泛素-蛋白酶体介导的蛋白质讲解系统；

2.利用思维导图总结本章知识点。

2.3德育目标

内质网和高尔基体分别是蛋白质合成和加工的场所,这些亚细胞器体积虽小但是太细胞正常功

能的发挥具有重大的作用，这些知识点可以引导学生在新时代如何学习雷锋精神，党的十八大报告中

对社会主义核心价值观的公民个人层面的价值准则为爱国、敬业、诚信、友善，这正与雷锋精神中的

爱岗敬业、艰苦奋斗、无私奉献、助人为乐等闪光点不谋而合，结合当前疫情期间为战胜新冠病毒无

私奉献的医护人员，引导当代大学生要把雷锋精神融入到日常的学习和生活中，比如做好自己的本职

工作、帮助需要帮助的人，在新冠肺炎疫情期间主动去当志愿者等，在实际行动中体会到奉献的快乐

和自身的社会责任及价值，每个人的力量虽小，但是大家团结起来就能够产生大能量，为社会和国家

做出贡献，从而引导当代大学生树立正确的世界观、价值观、人生观和远大的人生目标，涪养高水平、

高素质的当代大学生

［教学重点］

1.内质网、高尔基体的结构特点2.溶酶体的发生及功能

【教学难点］

内膜系统各结构之间的关系

［教学时数］2学时

［主要内容］

5.1细胞质基质及其功能5.2细胞内膜系统及其功能

［参考资料］

翟中和.细胞生物学，第五版.北京：高等教育出版社，2020.

［教学内容］

三高尔基体的结构与功能(ThestructureandfunctionsofGolgicomplex)

高尔基体(Golgibody)/高尔基器(Golgiapparatus)/高尔基复合体(Golgicomplex)：一种由相

对排列整齐的弓形扁平膜囊体系和大小不一的形态多变的管泡网结构组成的极性细胞器

高尔基体的主要功能：对ER转运来的脂分子及蛋白质进行加工、修饰、分类、包装以及分选。此外,

高尔基体也是细胞内糖类合成的工厂。

高尔基体是高度动态的结构，而且难以分离与纯化，目前积累的资料仍不足以彻底阐明高尔基体的结

构与功能。

CGN

顺面膜囊

［中间膜囊

［反面膜囊

O

o-

TGN

高尔基体的形态结构

A动物分泌细胞高尔基体三维结构的分区

B动物细胞冷冻蚀刻扫描电镜观察到的高尔基体

C小鼠回肠Paneth细胞电镜超薄切片观察到的高尔基体

(电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成的

由一些排列(常常4-8个)较为整齐的扁平膜囊堆叠在一起，周边有些膨起脱下来的大泡(可能是内

质网边缘膨大出芽形成的分泌泡)小泡(可能是内质网转移过来的运输泡))

㈠高尔基体的极性(ThepolarityofGolgicomplex)

I.高尔基体的形态学极性：高尔基体是一种有极性的细胞器，这不仅表现在它在细胞中往往有比较

恒定的位置与方向，而且物质从高尔基体的一侧输入，从另一侧输出，因此每层膜囊也各不相同。在

很多细胞中，高尔基体靠近细胞核的•侧，扁囊弯曲成凸面(又称形成面或顺面)；面向细胞质膜的

•侧常呈凹面（又称成熟面或反面）。注意：高尔基体的顺面并非总是在高尔基体的凸面，在细胞发

育的某个阶段可能位于高尔基体的凹面。

（最大的特点是具有极性的细胞器，有形成面或顺面（从内质网通过转运泡过来的形成的扁平囊）、

中间膜囊、成熟面或分泌面或反面：反面还有一个反面•高尔基体管网区）

2.高尔基体的生化极性：常用4种细胞化学（染色）反应来表现高尔基体的生化极性：

（I）嗜饿反应一顺面；

（2）NADP酶的细胞化学反应一中间几层扁平囊；

（3）TPP酶（焦磷酸硫胺素的）的细胞化学反应一反面的1~2层膜囊：

（4）CMP陋（胞嗑呢单核甘酸陶）和酸性磷酸酣的细胞化学反应一靠近反面膜囊状和反面管网结构。

A还原的四氧化饿定位在顺面膜囊

B甘露糖甘酶n定位在中间膜囊

C二磷酸核苜酶定位在反式膜囊

高尔基体至少由互相联系的5个部分组成：

（1）高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体网状结构：顺面亮尔基体网状结构（CGN）是位于高尔基体

顺面最前面的顺面膜囊（薄似内质网），呈中间多孔而连续分支状的网状结构。一般认为，CGN接

受来自内质网新合成的物质，并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，少部分蛋白质和脂质再返

I可内质网。CGN也可能负责蛋白质的0-连接糖基化，跨膜蛋白细胞质一侧结构域的酰基化，溶IW体

酶上寡糖的磷酸化，日冕病毒的装配也发生于此处。

（2）高尔基体中间膜囊：由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上又是连续而完整的膜囊

体系。多数糖基修饰与加工、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊。

（3）高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体网状结构：反面高尔基体网状结构（TGN）处于高尔基体

反面最外层的管网状结构，此处pH可能比高尔基体其它部位低，主要功能是负责对蛋白质进行分选

（枢纽区），蛋白质包装形成网格蛋白/衔接蛋白包被膜泡，并定向将蛋白质转运到细胞内或细胞外

的最终位置。此外，某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN,如蛋白原的水解加工。TGN在蛋白质

和脂质的转运过程中可能起“瓣膜”的作用，以保证这些物质的单向转运。

CGN:

初级分选站，负责对从ER转运来的蛋白质进行鉴别，决定哪些需要退回，哪些可进入下一站，返回

内质网的蛋白质具有KDEL或HDEL信号

RER（蛋白质和脂类）一一CGN（蚩白质KDEL或HDEL）

解释高尔基体高度动态结构却极性的组织与维持的2种模型：

（1）膜泡运输模型：高尔基体的膜囊群主体是相对稳态的结构，膜囊自身的更新和各部膜囊的生化

极性（特征性能和驻留蛋白的变化）是通过不同类型转运膜泡在相邻膜囊间正向（顺面一反面）和反

向（反面一顺面）有序转移实现的。

（2）膜囊成熟模型：高尔基体的膜囊群主体是动态的结构，源自ER的泡管结构首先形成高尔基体

CGN,随后膜囊自身从顺面到反面逐次成熟并迁移，一些不当转移的膜囊特征性酶或驻留蛋白通过反

向COPI转运膜泡再没收回来。

细胞骨架在维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起着重要的作用。

解释高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的膜泡运输模型（A）和膜囊成熟模型（B）

（膜泡转运模型：内质网形成转运泡,形成的多泡体就成了顺式面的膜囊.继续给下一一个腰囊,即从

••个膜囊形成泡，到下i个膜囊融合，增加下一个膜囊的构成，再形成转运泡，与下一个膜囊融合;

完成高尔基体的形态的成熟、更新）

（膜囊成熟模型：通过膜囊的成熟向前推进，成为一个动态的结构）

（二）、高尔基体的功能

高尔基体在蛋白质的加工、分选、包装与转运以及在细胞内的“膜流”中起重要作用。

高尔基体是细胞内大分子转运的枢纽或“集散地”。

1.高尔基体与细胞的分泌活动

糙面内质网是同时合成多种蛋白质（分泌蛋白、质膜蛋白、溶酶体酶以及内质网和高尔基体等的

驻留蛋白等）的主要场所。

分泌蛋白的分泌过程：

RER上合成的蛋白质一进入ER腔一出芽成囊泡一进入CGN-在中间膜囊中加工一

在TGN形成囊泡一囊泡与质膜融合一排出胞外

蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质内基因本身

高尔基体TGN区是蛋白质包装与分选的关键枢纽，这里至少涉及3条分选途径：

（1）溶酶体酶的包装与分选途彳仝：具有在高尔基体顺面膜囊上形成甘露糖-6-磷酸（M6P）标记的溶

酶体酶与高尔基体反面膜囊利TGN膜上相应膜受体结合，以出芽方式形成网格蛋白/衔接蛋白包被膜

泡，再转运至晚期胞内体，在此溶酶体酶（M6P残基）与膜受体解离，受体返回再利用，溶酶体酶则

被运到溶酶体。

（2）可调节型分泌途径：特化型分泌细胞中新合成的可溶性分泌蛋白先在细胞质周边的分泌泡中选

择性聚集、储存并浓缩，只在受到适宜的信号刺激后，才与质膜融合将内容物分泌到细胞表面或细胞

外。

（3）组成型分泌途径：细脆内合成的蛋白质通过分泌泡以连续的不需调节的方式向胞外进行分泌。

发生在高尔基体TGN区的蛋白质分选途径

（内质网中不同的颜色代表不同的蛋白，有的是跨膜蛋白，有的是腔内的可溶性蛋白；形成转运泡与

高尔基体的顺式膜囊结合，到中间膜囊，反式膜囊，再到反面管网区；有三条途径，一是信号介导的

把溶酶体的酶包装在溶酶体里（因为溶酶体的酶是酸性水解酶，如果暴露出来对细胞是有危害的，因

此要将其包裹）；二是组成型分泌，即连续不断地形成分泌泡并向外排；三是信号介导的可调节性的

分泌途径，细胞产生分泌泡后在细胞有一个储存和加工的过程，储存的过程也是分泌物浓缩的过程，

作为膜包被的分泌颗粒储存在细胞里，然后在某种信号刺激下，分泌颗粒运动到质膜融合，将内容物

排出）

2.蛋白质的糖基化及其修饰：

大多数蛋白质（可溶性分泌蛋白、质膜上大多数膜蛋

白和溶酶体酶）或膜脂的糖基化修饰和与高尔基体有关

的多糖的合成，主要发生在高尔基体。

蛋白质的糖基化的生物学功能有：

（1）糖蛋白的糖链具有促进蛋白质折叠和增强蛋白质稳定性的作用；

（2）糖蛋白的糖镭作为高尔基体对蛋白质讲行包装和分诜的指导信号：

（3）负责糖基化的陋类由管家基因编码；细胞表面和细胞外基质密集存在的寡糖链参与介导细胞间

或细胞与细胞外基质间的识别、黏着与双向通讯，或参与分化和发育等多种过程；

（4）多羟基糖链还可能影响蛋白质的水溶性和所带电荷的性质

蛋白质的糖基化修饰主要有N-连接糖基化和O-连

接糖基化2种类型

N-连接糖基化：所有的N-连接寡糖链都有一个共同的前体，在糙面内质网和在通过高尔基体各膜囊

间隔的转移过程中，寡糖链经过一系列加工、切除和添加特定的单糖，最后形成成熟的糖蛋白。所有

成熟的N-连接其糖链都含有2个N-乙酰葡糖胺和3个甘露糖残基。N-连接其糖链乂可分为高甘露糖

N-连接寡糖（只含有N-乙酰葡糖胺和甘露糖）和复杂的N-连接寡糖（除此之外，还含有半乳糖、岩

藻糖和唾液酸等）。

O-连接糖基化：在高尔基体中进行，由不同的糖基转移酶催化，每次添加一个单糖。

内质网和高尔基体中所有与樵基化及寡糖加工有关的酶都是内在膜蛋白，它们固定在细胞的不同间隔

中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。另外，植物细胞中的糖基化远比动物细胞复杂得多。

（表7-2N-连接与O-连接的寡糖比较）

特征N-连接0-连接

合成部位糙面内质网和高尔基体高尔基体

合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去

与之结合的氨基酸残基天冬酰胺丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟

脯氨酸

最终长度至少5个糖残基一般1-4个糖残基，但AB0血

型抗原较长

第一个糖残基N-乙酰葡糖胺N-乙酹半乳糖胺等

脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程

1在高尔基顺面膜囊切除3个Man残基

2,4,5在中间膜囊，再附加3个GlcNAc残基

3移除两个Man残基

6在反面膜囊，再加3个半乳糖残基

7每个半乳糖残基连上一个N-乙酰神经氨酸

残基，完成N-连接其糖的加工

（N-连接寡糖的核心糖基是在内质网装配后转移到高尔基体的。

N-连接寡糖的进一步加工修饰在高尔基体.上完成）

3.蛋白酶的水解和其它加工过程：

不同的蛋白质在高尔基体中酶解加工的方式各不

相同。

（1）没有生物活性的蛋白原（proprotcin）一高尔基体后一将蛋白原N端或两殊的序列切除

形成成熟的多肽c

（2）含有多个相同氨基酸序列的蛋白质前体―高尔基体一水解一形成同种有活性的多

肽。

（3）含有不同信号序列的蛋白质前体T高尔基体T加工成不同的产物。

（4）同一种蛋白质前体一不同细胞以不同的方式加工T不同的多肽

蛋白聚糖的硫酸化也是在高尔基体中进行的。

加工方式多样性的可能原因：

确保小肽分子的有效合成；

弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；

有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。

三、溶酶体

（一）、溶酶体的形态结构与类型

溶酶体（lysosome）：溶酶体是单层膜围绕的内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要作用是

行使细胞内的消化作用。某些细胞的溶能体还具有防御功能和其它重要的生理功能。植物细胞内也有

与溶酶体功能类似的细胞器，如圆球体、糊粉粒和中央大液泡。

溶酣体是一种异质性的细胞器：指不同的溶酶体的形态大小，乃至其中所含水解晦的种类都可能

有很大的不同。

溶能体膜在成分上也与其它生物膜不同：

①嵌有质子泵（溶醵体酶的最适pH为5.0左右）；

②具有多种载体蛋白（水解产物外运）；

③膜蛋白高度糖基化（防止被降解）。

溶酶体酶：已发现60余种，多为可溶性酶，少数整合在膜上；具有某些特征性同源序列；与相

关的非溶酹体酶是一类结构与功能上相似的前家族，在进化上同源。

类型

初级溶酶体(primarylysosome)：初级溶酶体呈球形，内容物均一，不含有明显的颗粒物质，外面由

一层脂蛋白膜围绕。

次级溶酶体(secondarylysosome)：初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡(吞噬泡或胞饮泡)融合

形成的进行消化作用的复合体，分别称之为自噬溶酎体(autophagolysosome)和异噬溶能体

(heterophagiclysosome)。

次级溶酶体的特点是外部形态不规则，内部结构复杂多样

后溶酶体即残质体(residualbody)：次级溶能体内经历消化后，小分子物质可通过膜上载体蛋白转

运到细胞质基质中，供细胞代谢利用，未被消化的物质残留在溶酶体内形成残质体。残质体可通过类

似胞吐的方式将内容物排出细胞。

溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶(acidphosphatase)

小鼠膀胱上皮细胞中的溶旃体

(二)、溶酶体的功能

溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，这

对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的

侵染都有重要的意义。

溶酶体的消化作用一般可概括为3条途径：

I.内吞作用(endocylosis):可溶性大分子通过质膜包被小窝内化和内吞泡摄入细胞与初级溶酹体结合

形成异噬溶酶体被消化

2.吞噬作用(phagocytosis)：破损细胞或病原体及不溶性颗粒物质通过异噬泡形成进入细胞与初级溶酹

体结合被消化

3.臼噬作用(autophagy)：细胞内破损细胞器和批量细胞质形成自噬泡与初级溶酶体结合被消化

胞外

次级溶所体

溶酶体消化作用的3种途径

①Phagocytosis吞噬作用（固性物质例如噬中性粒细胞、巨噬细胞）；②autophagy自噬作用（溶酶体

膜破掉，造成溶陋体自溶；芍的作为一种细胞凋亡的辅助形式）；胞吞作用（一些大分

子和可溶性分子，受体介导的）

溶酶体的功能

1.清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞：溶酶体起着“清道夫'’的作用。

2.防御功能：防御功能是某些细胞（如巨噬细胞）特有的功能，它们可以识别并吞噬入展的病毒或

细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解。

3.其它重要的生理功能：

（1）作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养，如降解内吞的血清脂蛋白，获得胆固醇等营养成分

等；

（2）在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节；

（3）吞噬细胞溶酶体消化清除凋亡细胞；

（4）参与受精过程中的顶体反应，因为精子的顶体相当于特化的溶酶体。

（三）、溶酶体的发生

溶酶体酶在糙面内质网合成前初加工，以出芽形式离开内质网形成膜泡

到高尔基体，经高尔基体再加工，以出芽形式离开高尔基体形成膜泡到溶

酶体。

溶酶体酶的构象或三级结构中隐含信号斑（signalpatch）,涉及溶酷体

酶加工的酶借此识别溶酶体酶；

在溶酹体酹的每条寡糖链上形成多个M6P残基；M6P受体通过膜泡穿梭

于高尔基体和前溶酶体（脱包被的转运泡或晚期胞内体）之间；

在质膜是也存在M6P受体，可与分泌出去的溶酶体酶结合，经受体介

导的内吞作用将酶送到前溶酶体中。

溶能体膜蛋白如何同其它蛋白质区分开来而特异地分选到溶

酶体膜上，机制仍不明。

他外

新合成的可溶性溶酶体晦从高尔基TGN和细胞表面转运到溶酹体

（四）、溶附体与疾病

溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障，影响细胞代谢，引起疾病。

如泰-萨二氏（Tay-Sachs）等各种储积症

溶酷体吞入了不能消化的成分，从而造成溶酶体膜破裂，释放出其中的水解酶，最终导致细胞死亡。

如肺部细胞吞噬二氧化硅所引起的矽肺和石棉肺。

某些病原体（麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖（抑制吞

噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境）

表神经鞘脂贮积病

疾病缺失酎类主要贮积底物后果

GM1神经节普脂贮GM10一半乳糖甘酶神经节音脂GMI智力迟钝，肝脏肥

积症大，骨骼受累，2岁

前死亡

泰一萨二氏病己糖股酶A神经节首脂GM2智力迟钝，失明，3

岁前死亡

法布莱氏病a-半乳糖昔酶A三己糖神经酰胺皮疹，肾功能丧失，

下肢感痛

山霍夫氏病己糖胺酶A和B神经节苗脂GM2和与泰一萨氏疾病症

红细胞糖甘脂状相似，但发展更快

高歇氏病葡糖脑昔酯酶葡糖脑甘脂肝脏和脾脏肿大，长

骨腐蚀，只在婴儿期

发生智力迟钝

尼一皮二氏病鞘磷脂水解酶鞘磷脂肝脏和脾脏肿大，智

力迟钝

Farber's脂肪肉芽神经酰胺水解酶神经酰胺疼痛性与退行性的

肿病关节变形，皮肤瘤，

几年内死亡

Krabbe,s病半乳精脑普脂酶半乳糖脑昔脂髓磷脂缺失，智力迟

钝，2岁前死亡

脑硫脂沉积芳基硫酸酯酶脑硫脂智力迟钝，前十年死

亡

四、过氧化物酶体

过氧化物酶体（peroxisome）：真核细胞中由单层膜围绕的含有一种或几种氧化酶类的细胞器，能够

利用分子氧氧化有机物。过氧化物酶体是一种微体（microbody）。

过气化物酶体

鼠肝细胞超微切片所示的过氧化物能体和其他细胞器（如线粒体）

（一）、过氧化物醐体与溶酶体的区别

与溶酶体一样也是一种异质性的细胞器，但在酶的种类、功能和发生等方面都与溶酶体有很大区别

却・2融与初级溶解的特征微

特征溶囱休及休

形态大小多呈珠形，直径0.2~0.5阿，无梅昌体球形，哺孔动物细想中f径多在0.15~0.25的，内常有酶也星体

翻美酸性水脂含有氧化唇类

pH5.0左右7.0左右

是否需。2不需要酸

功隹细胞内的消化作用缔功隹

发生鼬磁面内质胎氏经高尔基体出芽形成鼬细颜基质中合成，经组装与分裂形成

识别的标志解酸性水膊等过氧化复用

（二）、过氧化物酶体的功能

过氧化物酶体是一种异质性细胞器，不同生物的细胞中，甚至单细胞生物的不同个体中所含酶的种类

及其行使的功能都有所不同C

过氧化物酶体是真核细胞直接利用分子氧的细胞器，其中常含有2种酶：一是依赖于FAD的氧化酶,

其作用是将底物氧化形成H2O2；二是H2O2酹，其作用是将H2O2分解，形成水和氧气，二酶偶联,

消除H2O2的毒害。

过氧化物酶体可降解生物大分子；分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。

在植物细胞中过氧化物前体参与光呼吸作用；在油料种子萌发时，特殊过氧化物酶体即乙醛酸循环体

将脂肪转化成糖。

乙醛酸循环体(glyoxysome)：植物细胞中的一种细胞器，是将储存的脂肪酸转变成糖类的酶促反

应的部位。

(三)、过氧化物酶体的发生

过氧化物酶体的发生有2种途径：

一是细胞内已有的成熟过氧化物随体经分裂增殖而产生子代过氧化物酶体；

二是在细胞内重新发生，

过氧化物酶体重新发牛包括7个阶段的装配过程：①过氧化物酶体的装配起始于内质网,即由内质网

出芽衍生出前体膜泡，然后过氧化物前体的膜蛋白掺入，形成过氧化物解体雏形；

②具有过氧化物酶体靶向信号PTS1(Ser-Lys-Leu)和PTS2(Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu)

分选信号的基质蛋白，在膜蛋白的介导下完成基质蛋白的输入，产生成熟的过氧化物酶体；

③成熟的过氧化物酶体经分裂产生子代过氧化物酶体。构成过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上

合成后，通过磷脂交换蛋白(PEP)或膜泡运输方式完成其转运。

过氧化物酶体的三维发生与分裂过程的模型

六、作业

6.1雨课堂随堂练习

6.2雨课堂课后作业

I.endomembranesystem；cytosol；molecularchaperon；microsome；ERS

2.内质网中具有哪些保证蛋白质形成正确折叠的机制？

3.简述在高尔基体反面膜囊中发生的蛋白质水解加工的类型及其生物学意义?

七、板书

细胞生物学

第五章细胞质基质与内

讲

解

膜系统

课

雨

5.1细胞质基质及其功